JSOU VARIANTY V GENU PRO ACTN3 DETERMINANTEM VÝKONU VE SPRINTECH A V EXPLOSIVNĚ-SILOVÝCH SPORTOVNÍCH DISCIPLÍNÁCH?

JSOU VARIANTY V GENU PRO ACTN3 DETERMINANTEM VÝKONU VE SPRINTECH A V EXPLOSIVNĚ-SILOVÝCH SPORTOVNÍCH DISCIPLÍNÁCH?

Česká kinantropologie 2011, Vol. 15, č. 2, s. 11–15

MIROSLAV PETR1, EVA KOHLÍKOVÁ1, PETR ŠŤASTNÝ2 Katedra fyziologie a biochemie Katedra anatomie a biomechaniky Fakulta tělesné výchovy a sportu, Univerzita Karlova v Praze

1 2

SOUHRN Přibližně jedna miliarda lidí na celém světě zcela postrádá α-aktinin-3 díky homozygotní variantě polymorfismu (R577X) v genu pro α-aktinin-3 (ACTN3). Absence proteinu α-aktininu-3 není asociována s patologickým genotypem, avšak z hlediska fenotypového projevu se zjistilo, že frekvence mutované X alely a zejména genotypu XX je významně nižší u sprinterů a silově trénovaných jedinců. Naše práce shrnuje nedávné studie zabývající se hodnocením frekvence polymorfismu R577X u různých sportujících populací a předkládá přehled nejnovějších poznatků popisujících možný fyziologický mechanismus. Přestože existuje mnoho důkazů o existenci vztahu mezi polymorfismem R577X a výkonností v rychlostních a silově-rychlostních disciplínách, zřejmě jím nelze objasnit kompletní genetickou podstatu sprinterského fenotypu. Klíčová slova: α-aktinin-3, ACTN3, sprint, genové varianty, polymorfismus R577X. ÚVOD Aktininy jsou specifické svalové proteiny, které jsou přítomny v Z-zónách svalových myofibril, kde tvoří mřížovitou strukturu stabilizující kontraktilní svalový aparát. Aktininy spojují tenká filamenta aktinu a sousedící sarkomery. Vyskytují se ve dvou izoformách – jako α-aktinin-2, přítomný převážně v aerobně pracujících svalových vláknech, a α-aktinin-3, který se nalézá hlavně v rychlých glykolytických vláknen (MacArthur & North, 2004). Bez ohledu na jejich strukturální a mechanickou funkci aktininy spolu s dalšími proteiny mohou zasahovat do regulací, které se uplatňují při kontrakci a signalizačních procesech prostřednictvím vazby glykolytického enzymu fruktóza-1,6-bifosfatázy (Norman et al., 2009). Odhaduje se, že přibližně jedna miliarda lidí na celém světě díky homozygotní variantě polymorfismu (R577X) v genu pro α-aktinin-3 (ACTN3) zcela postrádá α-aktinin-3 díky (MacArthur et al., 2007; North, 2008). Frekvence výskytu tohoto polymorfismu je u evropské populace 18 %, u ostatních populací je značně proměnlivá (Mills et al., 2001). Ukázalo se, že DNA region v genu pro ACTN3 vykazuje nízkou úroveň genetické variability u jedinců stejné populace. Tyto nálezy

11

nejsou v rozporu se silnou pozitivní selekcí u evropské a východoasijské populace (MacArthur et al., 2007). Lze tedy předpokládat, že ztráta exprese tohoto svalového proteinu by měla být výhodou v  rámci adaptace současných obyvatel v  euroasijském prostředí (MacArthur et al., 2007). Nedostatek α-aktininu-3 pravděpodobně významně ovlivňuje kosterní sval. Usuzuje se, že svalstvo bez přítomnosti tohoto proteinu musí být v určitém ohledu strukturálně i funkčně odlišné od svalstva obsahující tento protein (Chan et al., 2008). Absence proteinu α-aktininu-3 se nepovažuje za patologický genotyp. Předpokládá se, že jeho nedostatek totiž může být s největší pravděpodobností efektivně kompenzován příbuzným proteinem α-aktininem-2 (Mills et al., 2001). Tuto teorii podporují nálezy MacArthur et al. (2007), kteří díky ACTN3 knockout myšího modelu s deficiencí α-aktininu-3 demonstrovali, že ztráta exprese ACTN3 genu vytváří podmínky pro efektivnější uplatnění aerobního metabolismu ve svalech, což se projevilo dosažením delší vzdálenosti v  all-out testu na motorizovaném běžeckém trenažéru (MacArthur et al., 2007). Jejich rychlá vlákna vykazovala metabolickou a kontraktilní podobnost s pomalými oxidativními vlákny. Předpokládá se, že tento posun směrem k efektivnějšímu aerobnímu metabolismu, který je spojen s absencí proteinu α-aktininu-3, tak představuje adaptační výhodu alely 577X (North, 2008). Není bez zajímavosti, že frekvence mutované X alely a zejména genotypu XX je významně nižší u sprinterů a silově trénovaných jedinců. FREKVENCE VÝSKYTU ACTN3 R577X POLYMORFISMU U SPORTUJÍCÍCH POPULACÍ Niemi & Majamaa (2005) zkoumali frekvence výskytu ACTN3 genotypů a mitochondriální DNA haploskupin u elitních finských vytrvalců (n = 52) a sprinterů (n = 89). Zjistili, že tyto frekvence byly významně odlišné mezi oběma skupinami, genotyp XX byl ve srovnání s RR genotypem častěji přítomen u vytrvalců. Zároveň žádný z elitních finských sprinterů nebyl nosičem genotypu XX (Niemi & Majamaa, 2005). U vrcholových řeckých atletů bylo též zjištěno, že frekvence RR genotypu v genu pro ACTN3 je u explosivně trénovaných sportovců 47,94 % oproti výskytu 25,97 % u normální řecké populace (Papadimitriou, Papadopoulos, Kouvatsi & Triantaphyllidis, 2008). Santiago et al., 2008 studovali distribuci R577X mutace u 60 profesionálních fotbalistů a tyto následně srovnávali jednak s 52 elitními vytrvalci a jednak 123 nesportujícími kontrolami. Výskyt genotypů RR a RX u fotbalistů byl 48,3%, respektive 36,7% a byl tak signifikantně zvýšen respektive snížen oproti kontrolám (28,5% a 53,7%) a vytrvalcům (26,5% a 52%). Navzdory určitým výjimkám tak autoři uvádějí, že profesionální fotbalisté mají silný trend k nosičství sprintérského (explosivně-silového) genotypu v genu pro ACTN3 (Santiago et al., 2008). V další studii byl srovnáván výskyt polymorfismu R577X a jeho vliv na úroveň vytrvalostního výkonu u západních a východních Afričanů (obyvatel Etiopie, Keňanů, Nigérijců – vytrvalců, elitních vytrvalců, silových sportovců a kontrol) (Yang et al., 2007). Frekvence výskytu alely X byla extrémně nízká mezi Keňany a Nigérijci (pouze 1 % v homozygotní formě genotypu), avšak vyšší u sportovců Etiopie (přibližně 11 % XX homozygotů). Výsledky však prostřednictvím ACTN3 genu nevysvětlují podstatu výkonnosti ve sprintu, ani vytrvalostního výkonu u sportovců Etiopie. Autoři nepředpokládají významnější vliv R577X polymorfismu na výkon u afrických sportovců. U ruských explozivně trénovaných sportovců ve srovnání s  kontrolami byla popsána vyšší frekvence genotypu XX (6,4 vs. 14,2 %) a alely X (33,3 vs. 38,7 %). Navíc nejnižší frekvence (3,4 %) u ACTN3 XX genotypu byla zaznamenána u skupiny nejvyšší sportovní výkonnosti (Druzhevskaya, Ahmetov, Astratenkova & Rogozkin, 2008). Autoři podtrhují hypotézu, že přítomnost α-aktininu-3 má pozitivní vliv na funkci kosterního svalu, který díky těmto podmínkám generuje silnější kontrakce při maximálních rychlostech. V další studii provedené opět na populaci ruských sportovců zaznamenali Ahmetov et al. (2008) frekvence ACTN3 XX genotypu 5,7 % vs. 14,5 % a alely X 33,2 % vs. 39,0 % u závodních veslařů ve srovnání s kontrolami. Navíc žádný z vysoce elitních veslařů nebyl nosičem genotypu XX. Během testování vytrvalostních schopností 12

dosáhli naopak veslaři s  genotypem 577RR lepších výsledků než genotypy 577RX a 577RR (Ahmetov et al., 2008). U izraelských sportovců – sprinterů byla popsána interakce mezi polymorfismem R577X v genu pro ACTN3 a polymorfismem Pro582Ser v genu pro HIF1A (hypoxia-inducible factor 1 je regulujícím transkripčním faktorem, který reguluje genovou expresi při hypoxii). Genotypy R/R a Pro/Pro byly signifikantně častěji přítomny u populace sprinterů než u nesportujících kontrol. Autoři předpokládají, že polymorfismus HIF1A Pro582Ser sám o sobě determinantem výkonu ve sprintu není, ovšem v kombinace HIF1A Pro582Pro a ACTN3 RR genotypů může být významným genetickým předpokladem výkonnosti ve sprinterských disciplínách (Eynon, Alves, Meckel et al., 2009). Stejná skupina dále posuzovala interakci variant v genu ACTN3 s variantami v  genu ACE (gen pro angiotensin konvertující enzym). Zjistili, že genotyp ACE II a alela ACTN3 R a stejně tak genotyp RR a alela ACE I jsou častěji přítomné u sprinterů. Na druhou stranu odmítají, že by kombinace těchto genotypů byla jakkoli asociována s úrovní výkonnosti (Eynon, Alves, Yamin et al., 2009). Nulový význam delečního polymorfismu v genu pro ACE pro výkonnost ve sprintech potvrzuje i další studie (Scott et al., 2010). I v případě třetí studie od této skupiny autorů, provedené na izraelských sprinterech, byla potvrzena asociace R alely s limitní sprinterskou výkonností (Eynon, Duarte et al., 2009). Skeptická je práce Lucia et al. (2007), kteří dokumentují, že dvojnásobný olympijský účastník ve skoku do dálky s osobním rekordem 826 cm je nosičem genotypu 577XX v genu pro ACTN3. Svou argumentaci dále opírají o skutečnost, že tento sportovec vykazoval vrcholnou výkonnost již v raném věku (v 16 letech se stal mistrem světa), přičemž doba speciálního tréninku trvala v jeho případě pouhý rok. Usuzují tudíž, že výkonnost dotyčného sportovce byla relativně nezávislá na tréninkové zkušenosti a že genetické faktory musely v tomto případě sehrát velmi významnou roli. Autoři poukazují, že tato data mohou znamenat významné trhliny v  konceptu „ACTN3 jako gen rychlosti“ (Lucia et al., 2007). Některé intervenční studie popisují rozdílnou odpověď na silový trénink v přítomnosti mutace R577X. Kupříkladu jedinci s  XX genotypem měli sníženou úroveň izometrické síly ale zároveň i nejvyšší přírůstky síly během 12týdenního tréninkového programu. Nejnižších silových přírůstků dosáhli jedinci s RR genotypem. Tyto výsledky však byly shledány pouze u žen a nikoliv u mužské části studovaného souboru (Clarkson et al., 2005). V jiné studii měli jedinci s genotypem RR větší přírůstky síly kolenních extenzorů ve srovnání s XX genotypem (Delmonico et al., 2007). Podobně bylo na populaci japonských nesportujících žen hodnoceno množství svaloviny stehen prostřednictvím magnetické rezonance s  ohledem na faktory životního stylu, jako je příjem proteinu a množství pohybové aktivity. Ženy s genotypem XX měly menší množství svalové hmoty ve stehenních partiích oproti genotypům RR a RX (Zempo et al., 2010). ZÁVĚRY Zkoumání sportovního talentu po stránce konkrétních genetických faktorů je stále ve svých začátcích. Přesto již dnes máme několik důkazů o zvýšené četnosti výskytu určitých alel u sportujících populací. Jednou z nově popisovaných asociací se sportovní výkonností představuje polymorfismus R577X v genu pro ACTN3. Exprese α-aktininu-3 nastává téměř výhradně ve svalových vláknech typu 2. Svalová vlákna s obsahem α-aktininu-3 jsou schopna během rychlých kontrakcí dosahovat vyšší absorpce a přenosu silového potenciálu v Z liniích (Mills et al., 2001). Mohou se také účastnit s dalšími proteiny v mnoha signálních a metabolických drahách stejně jako stimulovat utváření vlastností vláken typu 2. Ukázalo se také, že ACTN3 může být evoluční výhodou vedoucí k minimalizaci poškození tkáně vláken typu 2 po excentrických svalových kontrakcích (Yang et al., 2003). Tato skutečnost by mohla znamenat i vyšší toleranci na tréninkovou zátěž. Aktininy zřejmě mohou sehrávat roli během diferenciace svalových vláken prostřednictvím interakcí s Ca2+ a kalmodulin dependentním proteinem – kalcineurin fosfatázou (MacArthur 13

& North, 2004). V souladu s těmito východisky je popisován vyšší podíl svalových vláken typu 2 u jedinců s genotypem RR ve srovnání s XX (Vincent et al., 2007). Tyto nálezy jsou sice v kontrastu se zjištěními u knockout myších modelů (MacArthur et al., 2007), přesto však vedou k závěrům, že exprese genu ACTN3 je pravděpodobně asociována s vyšším podílem svalových vláken typu 2, fenotypem, který je výhodný pro sprinterskou a silově-explozivní činnost. Na druhou stranu jedinci s chybějící expresí ACTN3 genu mohou být predisponováni k převaze vyššího podílu vláken typu 1, která jsou výhodnější pro vytrvalostní činnosti (Norman et al., 2009). Velmi zajímavá zjištění na myších modelech poskytuje nedávná studie, která považuje výrazné snížení aktivity glykogen fosforylázy při absenci α-aktininu-3 za pravděpodobný mechanismus, objasňující asociace mezi ACTN3 genotypy a sportovní výkonností u lidí (Quinlan et al., 2010). V naší práci jsme zohlednili většinu relevantních studií z nedávné doby, které posuzují frekvence výskytu ACTN3 genotypů u jednotlivých sportujících populací. Jako obecné východisko z těchto prací vyznívá, že ACTN3 XX homozygoti vykazují mírně nižší svalovou sílu ve srovnání s nosiči alely R. Avšak vzhledem k tomu, že nejkonzistentnějších výsledků bylo dosaženo u elitních sportovců a naopak neprůkazných závěrů u rekreačně trénovaných nebo netrénovaných jedinců, je význam polymorfismu R577X limitován na jedince s dlouhodobou tréninkovou přípravou a vysokým stupněm výkonnosti. Přestože existuje mnoho důkazů o existenci vztahu mezi polymorfismem R577X a výkonností v rychlostních a rychlostně-silových disciplínách, zřejmě to zdaleka nemůže objasnit kompletní genetickou podstatu sprinterského fenotypu. Bezpochyby se jedná o působení mnoha genetických faktorů. LITERATURA AHMETOV, I. I., DRUZHEVSKAYA, A. M., ASTRATENKOVA, I. V., POPOV, D. V., VINOGRADOVA, O. L. & ROGOZKIN, V. A. (2008) The ACTN3 R577x polymorphism in Russian endurance athletes. Br. J. Sports Med. CLARKSON, P. M., DEVANEY, J. M., GORDISH-DRESSMAN, H., THOMPSON, P. D., HUBAL, M. J., URSO, M. et al. (2005) ACTN3 genotype is associated with increases in muscle strength in response to resistance training in women. J. Appl. Physiol., 99(1), p. 154–163. DELMONICO, M. J., KOSTEK, M. C., DOLDO, N. A., HAND, B. D., WALSH, S., CONWAY, J. M. et al. (2007) Alpha-Actinin-3 (ACTN3) R577x polymorphism influences knee extensor peak power response to strength training in older men and women. In J. Gerontol. A Biol. Sci. Med. Sci. (vol. 62, p. 206–212). United States. DRUZHEVSKAYA, A. M., AHMETOV, I. I., ASTRATENKOVA, I. V. & ROGOZKIN, V. A. (2008) Association of the ACTN3 R577x polymorphism with power athlete status in Russians. Eur. J. Appl. Physiol., 103(6), p. 631–634. EYNON, N., ALVES, A. J., MECKEL, Y., YAMIN, C., AYALON, M., SAGIV, M., et al. (2009) Is the interaction between HIF1A P582S and ACTN3 R577X determinant for power/sprint performance? Metabolism. EYNON, N., ALVES, A. J., YAMIN, C., SAGIV, M., DUARTE, J. A., OLIVEIRA, J., et al. (2009) Is there an ACE ID – ACTN3 R577X polymorphisms interaction that influences sprint performance? Int. J. Sports Med., 30(12), p. 888–891. EYNON, N., DUARTE, J. A., OLIVEIRA, J., SAGIV, M., YAMIN, C., MECKEL, Y. et al. (2009) ACTN3 R577X polymorphism and Israeli top-level athletes. Int. J. Sports Med., 30(9), p. 695–698. CHAN, S., SETO, J. T., MACARTHUR, D. G., YANG, N., NORTH, K. N. & HEAD, S. I. (2008) A gene for speed: contractile properties of isolated whole EDL muscle from an alpha-actinin-3 knockout mouse. Am. J. Physiol. Cell Physiol., 295(4), C897–904. LUCIA, A., OLIVAN, J., GOMEZ-GALLEGO, F., SANTIAGO, C., MONTIL, M. & FOSTER, C. (2007) Citius and longius (faster and longer) with no alpha-actinin-3 in skeletal muscles? Br. J. Sports Med., 41(9), p. 616–617. MACARTHUR, D. G. & NORTH, K. N. (2004) A gene for speed? The evolution and function of alpha-actinin-3. BioEssays : news and reviews in molecular, cellular and developmental biology, 26(7), p. 786–795. MACARTHUR, D. G., SETO, J. T., RAFTERY, J. M., QUINLAN, K. G., HUTTLEY, G. A., HOOK, J. W., et al. (2007) Loss of ACTN3 gene function alters mouse muscle metabolism and shows evidence of positive selection in humans. Nat. Genet., 39(10), p. 1261–1265. MILLS, M., YANG, N., WEINBERGER, R., VANDER WOUDE, D. L., BEGGS, A. H., EASTEAL, S. et al. (2001) Differential expression of the actin-binding proteins, alpha-actinin-2 and -3, in different species: implications for the evolution of functional redundancy. Hum. Mol. Genet., 10(13), p. 1335–1346. NIEMI, A. K. & MAJAMAA, K. (2005) Mitochondrial DNA and ACTN3 genotypes in Finnish elite endurance and sprint athletes. Eur. J. Hum. Genet., 13(8), p. 965–969.

14

NORMAN, B., ESBJORNSSON, M., RUNDQVIST, H., OSTERLUND, T., VON WALDEN, F. & TESCH, P. A. (2009) Strength, power, fiber types, and mRNA expression in trained men and women with different ACTN3 R577X genotypes. J. Appl. Physiol., 106(3), p. 959–965. NORTH, K. (2008) Why is alpha-actinin-3 deficiency so common in the general population? The evolution of athletic performance. Twin. Res. Hum. Genet., 11(4), p. 384–394. PAPADIMITRIOU, I. D., PAPADOPOULOS, C., KOUVATSI, A. & TRIANTAPHYLLIDIS, C. (2008) The ACTN3 gene in elite Greek track and field athletes. Int. J. Sports Med., 29(4), p. 352–355. QUINLAN, K. G., SETO, J. T., TURNER, N., VANDEBROUCK, A., FLOETENMEYER, M., MACARTHUR, D. G. et al. (2010) Alpha-actinin-3 deficiency results in reduced glycogen phosphorylase activity and altered calcium handling in skeletal muscle. In Hum. Mol. Genet. (vol. 19, p. 1335–1346). England. SANTIAGO, C., GONZALEZ-FREIRE, M., SERRATOSA, L., MORATE, F. J., MEYER, T., GOMEZ-GALLEGO, F. et al. (2008) ACTN3 genotype in professional soccer players. Br. J. Sports Med., 42(1), p. 71–73. SCOTT, R. A., IRVING, R., IRWIN, L., MORRISON, E., CHARLTON, V., AUSTIN, K. et al. (2010) ACTN3 and ACE genotypes in elite Jamaican and US sprinters. Med. Sci. Sports Exerc., 42(1), p. 107–112. VINCENT, B., DE BOCK, K., RAMAEKERS, M., VAN DEN EEDE, E., VAN LEEMPUTTE, M., HESPEL, P. et al. (2007) ACTN3 (R577X) Genotype is associated with fiber type distribution. Physiol. Genomics, 32(1), p. 58–63. YANG, N., MACARTHUR, D. G., GULBIN, J. P., HAHN, A. G., BEGGS, A. H., EASTEAL, S. et al. (2003) ACTN3 Genotype is associated with human elite athletic performance. Am. J. Hum. Genet., 73(3), p. 627–631. YANG, N., MACARTHUR, D. G., WOLDE, B., ONYWERA, V. O., BOIT, M. K., LAU, S. Y. et al. (2007) The ACTN3 R577X polymorphism in East and West African athletes. Med. Sci. Sports Exerc., 39(11), p. 1985–1988. ZEMPO, H., TANABE, K., MURAKAMI, H., IEMITSU, M., MAEDA, S. & KUNO, S. (2010) ACTN3 polymorphism affects thigh muscle area. International Journal Of Sports Medicine, 31(2), p. 138–142.

Is a performance in sprint and other explosive sport events conditioned by variants in ACTN3 gene? There is a common polymorphism (R577X) in ACTN3 gene that results in absence of alpha-actinin-3 in more than one billion people worldwide. Absence of alpha-actinin-3 is not associated with an obvious disease phenotype. Those who are engaged in sprint or power activities have a lower incidence of alpha-actinin-3 deficiency than the general population. We focused on recently published studies involving frequency evaluations of R577X in different groups of athletes including papers related to possible physiological explanation in this regard. However, there is a strong association between R577X polymorphism and sprint or power functioning, a complete genetic nature of sprint performance can not be explained by referred polymorphism. Keywords: α-aktinin-3, ACTN3, sprint performance, gene variants, polymorphism R577X. PhDr. Miroslav Petr, Ph.D. UK FTVS, J. Martího 31, 162 52 Praha 6-Veleslavín e-mail: [email protected]

15